computerunterstützte thermochemie

Oktober 2008
C OMPUTERUNTERSTÜTZTE T HERMOCHEMIE
Bei der Herstellung und beim Einsatz von
Feuerfestmaterialien laufen komplexe chemische Reaktionen ab. Diese beeinflussen
stark die Materialeigenschaften, insbesondere die Korrosionsbeständigkeit und die
Festigkeit des Werkstoffes.
Bei einem Gesamtdruck von 0,1 bar ist ab
1550°C mit der Zersetzung von MgO unter
Entstehung von Mg-Dampf und CO-Gas zu
rechnen. Die berechneten Ergebnisse stimmen gut mit der betrieblichen Praxis
überein.
Thermochemische Berechnungen mit der
Computer-Software FactSage® ermöglichen die Voraussage von Gleichgewichtszuständen unter vorgegebenen Einsatzbedingungen. Damit können Aussagen zu
möglichen Reaktionsabläufen auch in
experimentell schwer zugänglichen Stoffsystemen und in Systemen mit komplexer
Zusammensetzung getroffen werden.
Beispiel 2:
Im Diagramm in Bild 2 ist die Stabilität von
Al2O3 und MgO gegenüber CaO/SiO2 (C:SVerhältnis = 1,5) dargestellt. Es zeigt sich,
dass Al2O3 im Vergleich zu MgO eine
höhere Sättigungslöslichkeit und damit eine
geringere Stabilität gegenüber CaO/SiO2
aufweist.
100
Phasenanteile [Gew.-%]
Ausgangspunkt der Berechnungen ist die
Festlegung der verschiedenen Parameter:
Art und Menge der Komponenten, z.B. der
Gasatmosphäre (in Partialdrücken) sowie
der Temperatur. Durch Variation eines oder
mehrerer Parameter können Tendenzen
bezüglich der Stabilität einzelner Phasen
sowie die Temperatur-, Druck und Konzentrations-Grenzen für den jeweils dominierenden Reaktionsmechanismus vorhergesagt werden.
MgO(s)
80
60
CO(g)
40
Mg(g)
C(s)
20
MgAl2 O 4 (s)
Al4 C 3 (s)
0
900
Beispiel 1:
Das Diagramm in Bild 1 zeigt die Phasenanteile sowie Art und Menge der gasförmigen Komponenten, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur in einem
typischen Al-haltigen MgO-C-Stein einstellen. Metallisches Aluminium ist in Gegenwart von Kohlenstoff nicht stabil, so
dass bereits bei niedrigen Temperaturen
Aluminiumcarbid (Al4C3) entsteht. Bei etwa
1250°C zersetzt sich diese Phase und es
entsteht MgO⋅Al2O3-Spinell.
1100
1300
1500
1700
1900
Temperatur [°C]
Bild 1: Phasengleichgewicht in einem typischen,
Al-haltigen MgO-C-Stein.
100
Sättigungskonzentration [Gew.-%]
Die computergestützte Thermochemie ist
somit ein wertvolles Werkzeug zur Festlegung von Herstellungsbedingungen, bei
der Prognose einsatzbedingter Gefügeveränderungen sowie in der Schadensanalyse.
Al2O3
80
60
40
20
0
1400
MgO
1600
1800
2000
Temperatur [°C]
Bild 2: Stabilität von Al2O3 und MgO gegenüber
CaO-SiO2-Schlacke (C/S = 1,5).